METABOLISMO El término metabolismo se utiliza cuando nos referimos a todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula. Los elementos químicos básicos que utiliza una célula provienen del medio ambiente y estos elementos químicos son transformados por la célula en los constituyentes característicos que componen dicha célula. Estos compuestos químicos se llaman nutrientes y el proceso por el cual una célula transforma estos nutrientes en sus componentes celulares se denomina anabolismo o biosíntesis. La biosíntesis es un proceso que requiere energía; esta energía se obtiene del medio ambiente. Las células pueden utilizar tres tipos distintos de fuentes de energía: luz, compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos. Aunque algunos organismos obtienen su energía de la luz, la mayor parte lo hacen a través de compuestos químicos. Cuando estos compuestos químicos se rompen originando compuestos más simples se libera energía, a este proceso se le denomina catabolismo. El metabolismo es el conjunto de procesos a través de los cuales los sistemas vivientes adquieren y utilizan la energía libre que necesitan para llevar a cabo sus funciones (crecimiento, reproducción, reproducción, etc.). Dos de las características más llamativas de toda materia viviente son el estado diná dinámi mico co de sus sus proc proces esos os bioq bioquí uími mico cos s, su meta alto grad grado o de metabo bolilism smo o, y su alto organización estructural. Los procesos de evolución han seleccionado y preservado las
reacciones y características estructurales estructurales que son más útiles y eficientes para permitir que el organi organismo smo haga haga frente frente y se adapt adapte e al medio medio ambien ambiente. te. En reali realida dad, d, la secue secuenci ncia a de reacciones químicas empleadas en convertir la materia prima, las sustancias nutritivas, en constituyentes de importancia vital para el organismo, es invariablemente el mejor y más eficiente mecanismo posible para su biosíntesis desde el punto de vista energético. Con el explosivo avance del conocimiento en los campos de la enzimología y del metabolismo, este último se ha considerado como una serie de reacciones concatenadas, designadas como vías metabólicas . Cada etapa de dichas vías está catalizada por una enzim enzima a especí específic fica, a, frecue frecuente ntemen mente te ayuda ayudada da por por sustan sustancia ciass auxi auxilia liares res denom denomin inada adass coenzimas y cofactores. Estas reacciones pueden tener lugar en el citosol y/o en los organelos subcelulares. subcelulares. Además, el acoplamiento acoplamiento de reacciones reacciones a través de la transferencia de grupos, forma la base de gran parte de los conocimientos sobre el metabolismo celular, su integración y control. El estado dinámico del metabolismo describe la regulación y las interrelaciones de los procesos metabólicos en el cuerpo humano. Es evidente que en un adulto sano la
composición total del organismo permanece relativamente invariable, si bien existe un constante ingreso de combustible (alimentos) a fin de proveer la energía necesaria para actividades sintéticas y mecánicas. Además, la ingestión de alimentos se requiere para reemplazar los constituyentes que se degradan con el tiempo.
Equilibrio dinámico entre anabolismo y catabolismo. La asimilación y degradación de sustancias nutritivas se encuentran en un estado constante de flujo dinámico, de modo que en el adulto existe un equilibrio regulado entre los procesos anabólicos (biosíntesis) y catabólicos (degradación). En el niño, sin embargo, el ingreso de sustancias nutritivas y anabolismo deben superar al catabolismo de manera que pueda tener lugar el crecimiento de los tejidos. En el proceso de envejecimiento ocurre lo inverso, los procesos catabólicos superan a los anabólicos. Los alimentos no se suministran como una corriente continua sino en forma dependiente del patrón dietético o de los hábitos de la persona que los consume. Un suministro intermitente implica que el combustible provisto debe almacenarse y volver a ser movilizado cuando se necesita. Almacenamiento y movilización son procesos que involucran la interrelación de los tejidos que cumplen esas funciones. El equilibrio entre los procesos de ingreso y egreso se designa como estado dinámico del metabolismo (fig, 1). En la fig. 1 se muestra una perspectiva del organismo humano como máquina metabólica. Ilustra las interrelaciones del metabolismo de los tres grupos de sustancias nutritivas: proteínas, carbohidratos y grasas. Éstas son degradadas o digeridas a tres subunidades: aminoácidos, hexosas y ácidos grasos. Éstos a su vez se pueden convertir por anabolismo en proteínas, polisacáridos y lípidos para uso de las células durante el crecimiento y reemplazo. O bien pueden ser degradados progresivamente a CO 2, H2O y NH3 por reacciones catabólicas para proveer energía al sistema. La glucosa y los ácidos grasos son continuamente utilizados para satisfacer los requerimientos energéticos del organismo y por ende deben ser repuestos por la dieta. En la fig. 1 también se muestra las interrelaciones entre los procesos mencionados anteriormente. Los aminoácidos, hexosas y ácidos grasos pueden ser catabolizados a una sustancia química común llamada Acetil coenzima A (acetil CoA), la cual a su vez es degradada a CO 2 y H 2O. Por el contrario, los átomos de carbono del acetil CoA, originalmente derivados de hexosas, pueden convertirse en ácidos grasos. Esto significa que los carbohidratos de la dieta provista en exceso respecto de las necesidades, pueden emplearse para sintetizar ácidos grasos y almacenarse para satisfacer futuros requerimientos de combustible.
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Fig. 1. Interrelaciones dinámicas entre diversos procesos anabólicos y catabólicos
Concepto de vías metabólicas. 3
El metabolismo tiene lugar generalmente por secuencias ordenadas y escalonadas que dependen de leyes básicas de la termodinámica. Estas vías metabólicas consisten en una serie de reacciones químicas individuales y progresivas. Las vías adoptan una variedad de formas complejas, partiendo de la más simple, obviamente de un solo paso, como la conversión de un precursor (A) a un producto terminado (B).
Esta reacción es catalizada por una molécula proteica: Ea, llamada enzima. La reacción directa está descrita por una constante de velocidad K f , mientras que la inversa lo es por la constante K r . Las reacciones reversibles pueden lograr un estado de equilibrio en el cual Kf = Kr . En la mayoría de las vías metabólicas, no obstante, el producto B de esta reacción es a su vez sustrato para una segunda reacción que da el producto C, catalizada por una segunda enzima E b.
Eb B
C
METABOLISMO ENERGÉTICO Cada una de las reacciones del metabolismo implica una transferencia de materia y de energía. El componente fundamental por excelencia para comprender el metabolismo es el entender la base física que dirige las reacciones bioquímicas, por lo que es de importancia clave la aplicación de los principios básicos de la termodinámica (rama de la Física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía). El conjunto de reacciones que suceden en forma secuencial y que dan lugar a un compuesto integran un camino metabólico y se le da un nombre específico. Por ejemplo: 1)
la glucólisis: es el camino metabólico por medio del cual se oxidan los azúcares produciendo piruvato y equivalentes reducidos (NADH). 4
2)
A la transformación del acetil CoA, proveniente de la descarboxilación del piruvato o de la β – oxidación de los ácidos grasos, en anhídrido carbónico y equivalentes reducidos, se le denomina ciclo de Krebs.
3)
La transferencia de electrones de los equivalentes reducidos hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP, se le llama cadena de transporte de electrones o fosoforilación oxidativa.
Este último proceso está formado por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones.
Fig. 2 Metabolismo energético
Al conjunto de caminos metabólicos mencionados anteriormente y representados en la fig. 2, son todos procesos de oxidación y se le denomina metabolismo energético, porque produce la energía que necesita la célula para todas sus necesidades, tanto para hacer posibles las reacciones del metabolismo sintético como para llevar a cabo todos los trabajos físicos que realiza la célula. Todas las células heterótrofas tienen metabolismos energéticos muy similares. El ATP al hidrolizarse en Pi y ADP cede alrededor de 12,000 calorías/mol en condiciones fisiológicas, energía que es usada por los procesos metabólicos que no son termodinámicamente favorables. El ATP es el compuesto que se considera el producto útil de los procesos de oxidación. Los siguientes procesos son ejemplos de pasos metabólicos que no son termodinámicamente favorables y que se llevan a cabo usando la energía almacenada en el ATP:
Transporte a través de membranas en contra del gradiente de concentración. 5
Reacciones con energía libre positiva en condiciones fisiológicas, tales como la síntesis de proteínas y de ácidos nucleicos, reacciones de óxido-reducción en contra del gradiente de potencial, etc.
Para el estudio del metabolismo energético tiene especial importancia la Ley de Hess, cuyo enunciado es el siguiente: en una transformación química a presión constante y sin trabajo útil, la cantidad de calor absorbida o desprendida está determinada únicamente por las sustancias iniciales y finales de la reacción y por los estados de las mismas y no depende de los pasos intermedios de la transformación.
Por ejemplo: la combustión de una molécula de glucosa produce la misma cantidad de calor que el desdoblamiento de igual cantidad de glucosa en ácido láctico seguida de la combustión de las dos moléculas de ácido resultantes. Las ecuaciones son las siguientes:
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) = 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) C6H12O6 (s) = 2 C3H6O3 (l)
ΔH18ºC = – 673 Kcal
ΔH18ºC = – 21 Kcal
C3H6O3 (l) + 3 O2 (g) = 3 CO2 (g) + 3 H2O (l)
ΔH18ºC = – 326 Kcal
Puede comprobarse que la variación de entalpía ( ΔH) es la misma en ambos casos:
– 326 Kcal x 2 + (– 21 Kcal) =
– 673 Kcal
Valor calórico de los alimentos Se llama valor calórico de un determinado alimento al calor desprendido por combustión de un gramo del mismo. Este valor puede determinarse quemando la sustancia en un calorímetro. Cuando se conoce el calor de combustión de una sustancia (cantidad de calor que desprende un mol de sustancia al ser quemada totalmente, siendo la temperatura inicial igual a la final), su valor calórico puede determinarse a partir de él. Por ejemplo: como el calor de combustión de la glucosa es 673 Kcal/mol *, su valor calórico se obtiene dividiendo el calor de combustión por la masa molar:
VCgluc
673 Kcal/mol = ----------------------- = 3,74 Kcal/g 180 g/mol
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* Aunque la variación de entalpía es negativa, el calor de combustión se considera positivo cuando es desprendido. Sin embargo, en el caso de las proteínas, éstas desprenden en el organismo una cantidad de calor inferior a la que se obtiene en el calorímetro, pero esto no se debe a que deje de cumplirse la Ley de Hess, sino a que los productos finales del metabolismo de los prótidos no son los mismos que los de su combustión completa. Se define entonces para este tipo de sustancias el valor calorífico fisiológico. Se llama así a la cantidad de calor que un gramo de estos alimentos desprende cuando es metabolizado en el organismo. El valor calórico fisiológico de las proteínas (VC prot) es 4,1 Kcal/g.
Energía La energía se define como la capacidad para producir trabajo o para inducir cambios físicos. La energía necesaria para los procesos anabólicos, el trabajo mecánico y otros procesos químicos, se obtiene a partir de sustancias nutritivas como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. La glucosa es catabolizada a CO 2 y agua, proceso que libera una gran cantidad de energía química, la energía total disponible para realizar trabajo, producida por la oxidación de 1 mol de glucosa, es de 686,000 calorías (686 Kcal) C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + 686,000 calorías/mol Esta energía se perdería totalmente por la célula o por el organismo humano, si no fuera por el hecho de que se conserva por la biosíntesis simultánea de ATP. En la célula, sin embargo, la glucosa no es oxidada a dióxido de carbono y agua en una sola etapa; más bien dicha oxidación tiene lugar por una vía metabólica secuencial que requiere varias etapas. Dado que la energía está bien reconocida como un requerimiento vital para el hombre y otros organismos vivientes, es conveniente una breve consideración sobre el metabolismo de la energía y la incorporación y consumo de energía (equilibrio energético). Es común el conocimiento de que si la energía tomada de los alimentos es inadecuada para satisfacer los requerimientos energéticos del organismo, se produce pérdida de peso, las reservas de carbohidratos y lípidos disminuyen gradualmente y, debido a la urgente necesidad de energía, las proteínas mismas son degradadas para proveerla. Se puede producir emaciación severa seguida de drásticas alteraciones metabólicas (cetosis, acidosis, pérdida de nitrógeno y cationes y deshidratación), y si este estado se prolonga, las consecuencias son desastrosas e incluso fatales. Una parte importante de la energía de los alimentos, aproximadamente 55% se obtiene de los que contienen carbohidratos. Cantidades menores provienen de grasas (30 – 7
40%) y proteínas (aproximadamente 15%). Una vez que estos alimentos son digeridos y las sustancias nutritivas resultantes absorbidas, son convertidas en parte en energía química en la forma de ATP por fosforilación oxidativa y el resto se emplea para el crecimiento y mantenimiento de los tejidos. La primera demostración científica de que la energía es producida en el organismo animal por la oxidación de los alimentos, fue efectuada por Lavoisier en 1974. Descubrió que el carbono de los alimentos era convertido en dióxido de carbono en el organismo animal por oxidación en presencia de oxígeno atmosférico, y que la cantidad de energía (calor) liberada era equivalente a la producida por combustión de carbono no viviente en un calorímetro. De modo que la producción de energía en el organismo animal a partir de los alimentos puede determinarse utilizando este principio básico, por determinación del oxígeno consumido y el dióxido de carbono producido, como también del calor desarrollado directamente en calorímetros apropiados. Utilizando estos principios, es posible determinar con exactitud el metabolismo energético total y
el metabolismo basal, o sea el metabolismo en estado de reposo,
posabsortivo, de los seres humanos en calorímetros respiratorios. En los Estados Unidos, los valores para el metabolismo total se expresan usualmente en kilocalorías (Kcal) por unidad de tiempo (día, hora, minuto) y/o por unidad de peso corporal (kilogramos o libras). El metabolismo basal (MB) se expresa como Kcal por metro cuadrado de superficie corporal por hora para fines clínicos y también usualmente como porcentaje. El metabolismo basal, como el término lo sugiere, mide la energía requerida para sostener procesos vitales básicos, dado que el individuo está en completo reposo físico y mental y en estado posabsortivo (10 – 14 horas después de la última comida, usualmente la cena). Aproximadamente el 50% de la energía del metabolismo basal es utilizada para el transporte de iones como NA +, K+ y Ca++ hacia el interior o exterior de las células. El resto es para mantener funciones tales como el tono muscular, el ritmo cardíaco, la respiración y la temperatura corporal. En individuos dedicados a actividades livianas o moderadas, el metabolismo basal constituye aproximadamente la mitad del metabolismo total. El metabolismo basal de un hombre adulto varía desde aproximadamente 1,600 a 2,000 Kcal por día, y de 1,400 a 1,670 para mujeres adultas, según la talla y peso. En conclusión, la supervivencia al nivel celular requiere un intercambio constante de materia y energía entre la célula y su ambiente (fig. 3). Las moléculas que sirven como combustible son consumidas constantemente por reacciones catabólicas, que dan como resultado energía y los bloques de construcción biológicos. Al mismo tiempo, la célula debe regenerarse ella misma de modo continuo. Las células consumen la energía liberada en el catabolismo como un combustible para las secuencias anabólicas que sintetizan las
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biomoléculas necesarias para mantener la integridad de la célula y contribuir a su crecimiento.
Fig. 3 Vista general del metabolismo. Intercambio de materia y energía.
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